水压力对黏性原状土起动流速影响的试验研究

范力阳，陈国平，马洪蛟，李庆银

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098; 2.黄河水利委员会 山东水文水资源局，济南 250100)

水压力对黏性原状土起动流速影响的试验研究

范力阳1，陈国平1，马洪蛟1，李庆银2

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098; 2.黄河水利委员会 山东水文水资源局，济南 250100)

为探究水压力对黏性原状土起动的影响，在一套能模拟不同大小的水压力的封闭管道试验系统中进行了黏性原状土起动试验。结果表明：当水柱高度从35 cm提高到435 cm时，黏性原状土的起动摩阻流速是0.35 m水柱高度下流速的2.52～3.06倍；黏性原状土的起动流速随着水压力的增大而增大；水柱高度、原状土的粒径级配以及原状土的密实度是起动摩阻流速的主要影响因素。该试验成果可为黏性原状土起动流速的进一步研究提供参考。

水压力；黏性原状土；起动流速；粒径级配；干密度

1 研究背景

水压力对泥沙起动产生影响，窦国仁[1]和张瑞瑾[2]认为实质上是水压力的变化导致泥沙颗粒的薄膜水附加压力的变化，间接影响泥沙的起动流速。对于薄膜水附加压力理论，目前存在一些争议，就现有研究成果来看，该力只可能是薄膜水附加压力。长江宜昌等水文站不同水深起动流速的实测资料证实了水深对起动流速的作用，这种作用确实不是流速分布的影响造成的[3]。首先考虑薄膜水附加压力的是窦国仁与张瑞瑾。窦国仁[1]利用交叉石英丝试验，通过改变石英丝所受的静水压力，验证了压力水头对薄膜水附加压力的影响，从而间接证明了压力水头对泥沙起动流速的影响；张瑞瑾[2]认为，颗粒起动受黏结力的影响，但是其原因是薄膜水特别是其中的牢固结合水有单向压力传递的特性，因此黏结力包含水柱压力及大气压力2部分，这实质上也承认了水压力是影响起动流速的因素。格里辛格(E.H.Grissinger)曾就黏土性质对泥沙冲刷的影响进行过一些研究，得出了2点结论：①在一般情况下，土壤中黏土含量的增加，将会加大土壤的抗冲能力;②试样受压与不受压可以使冲刷率差到10倍[4]。

基于前人的研究成果，本文在一套能模拟不同水压力的封闭管道试验系统中进行了黏性原状土起动试验，探究水压力对黏性原状土起动的影响。

2 黏性原状土起动试验

模拟不同水压力的原状土起动试验装置如图1所示。矩形管道的断面尺寸为15 cm×3 cm(长×宽)，有效长度为2.5 m，土样放置在距离进口1.5 m、出口1.0 m的位置，在土样上游0.9 m、下游0.4 m处各布置1根测压管。瞬时流量由超声波流量计直接读出。矩形管道内断面平均流速最大可达8.8 m/s。

图1 试验装置简图Fig.1 Sketch of the test equipment

试验中设置了5级水压条件，水柱高度分别为35,135,235,335,435 cm。受试样和试验条件所限，共选取3个原状土土样进行起动试验，对选取的原状土样进行粒径分析，表1列出了原状土样的基本性质，图2为原状土样YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4的粒径级配曲线。

表1 原状土样基本性质Table 1 Basic properties of undisturbed soil samples

图2 不同原状土样粒径级配曲线Fig.2 Gradation curves of undisturbed soil samples

3 试验结果分析

3.1 原状土起动试验结果

对于充分发展的紊流，作用于管道壁面的切应力τ与作用于水柱两端面的压力差的关系可表示为[5-6]

(1)

式中：R为水力半径，R=A/χ，其中A为断面面积，χ为湿周；J为水力坡度，J=ΔZ/L，ΔZ为上下游测压管水柱高度差，L为测压管间距；ρ为水的密度；g为重力加速度;U*为摩阻流速。

由式(1)解得

(2)

图3 原状土样起动摩阻流速随水柱高度变化Fig.3 Variation of incipient friction velocity of undisturbed soil sample vs. water column height

试验以微团少量起动作为原状土的起动标准。微团少量起动的具体描述为：泥面边缘及中心位置多处出现间歇性片状剥离，泥面出现浅坑。当原状土发生起动时，记录下此时上、下游测压管水柱高度读数，计算测压管水柱高度差 ，再通过式(2)算得起动摩阻流速U*c。原状土样在不同水压力条件下的起动摩阻流速实测值如图3所示。

从总体来看，随着水压力的增大，所有试样的起动摩阻流速均随之增大。值得注意的是，随着水压力的增大，不同试样的起动摩阻流速增幅存在差异：对编号为YZK03-3的原状土而言，水柱高度平均每增加100 cm，起动摩阻流速增加0.33 cm/s，比较435 cm和35 cm水柱高度下的起动摩阻流速，前者是后者的2.56倍；对于编号为YZK11-3，YZK11-4的原状土，这2组数据分别为0.68 cm/s和2.52倍、1.19 cm/s和3.06倍。

根据文献[7],水对泥沙颗粒的压力Fδ的影响因素可概括为

Fδ=f(ρ,g,H,d,γ0) 。

(3)

式中：γ0为床面泥沙干密度；d为泥沙颗粒的粒径；H为水柱高度。

根据式(3)，影响水柱压力的因素主要有3个：水柱高度、泥沙粒径组成以及泥沙干密度(即床面泥沙的密实度)。水柱压力为阻碍泥沙起动的力，水柱压力越大，所需要的起动摩阻流速也越大。显然，水柱高度越高,土的细颗粒含量越多、砂含量越少、颗粒之间的黏性越强，土的密实度越高，原状土受到的水柱压力越大。下面从原状土的粒径组成以及密实度2个方面分析形成不同的起动摩阻流速随水柱高度变化的曲线的原因。

对于原状土样YZK03-3来说，黏粒(d<0.005 mm, 下同)和粉粒(0.005 mm

对于原状土样YZK11-3来说，黏粒含量最高，为18%，粉粒含量较高，为58.8%，而且土的组成中不含粗砂(0.5 mm

原状土样YZK11-4的粒径分布与YZK11-3很相似，黏粒和粉粒的含量都较高，其中黏粒含量为16.4%(略低于YZK11-3的黏粒含量)，粉粒含量(66%)要高于YZK11-3, 而且土中几乎不含粗砂，只有极少量的中砂，所以YZK11-4的颗粒之间的黏性也较大，和YZK11-3相近。但由于YZK11-4的干密度远大于YZK11-3的干密度，密实度方面差别比较大，因此在同样的水柱高度下，YZK11-4受到的水柱压力最大，在3个原状土样中是最难起动的。

根据以上分析，在水柱高度相同的情况下，主要是原状土的级配以及密实度影响了原状土的起动摩阻流速。随着水柱高度的增加，不同土样在粒径组成以及密实度方面的差异造成的水柱压力的差异被水柱高度放大，因此3个原状土样的起动摩阻流速平均增幅(图3中曲线的斜率)存在差别：细颗粒含量(黏粒和粉粒的含量之和)较高且密实度较高的YZK11-4号原状土的起动摩阻流速平均增幅最大，细颗粒含量较高但密实度不高的YZK11-3次之，细颗粒含量和密实度都不高的YZK03-3最小。

3.2 试验值与公式计算值对比分析

以上分析是基于原状土起动试验得到的，下面将试验值与国内常用的新淤黏土的起动流速公式的计算值进行对比分析。

表2 不同水柱高度下起动流速实测值与公式计算值的对比Table 2 Comparison between measured and calculated data of incipient velocity under different water column heights

窦国仁公式[1]为

(4)

张瑞瑾公式[2]为

(5)

式中Ucz为张瑞瑾公式计算的起动流速。由于本文试验数据是在封闭管路中得到的，与原状土所处的天然环境有所差别，为了与窦国仁公式、张瑞瑾公式的计算值(Ucd和Ucz)进行比较，必须将管道内的起动垂线平均流速转换为自然条件下的起动垂线平均流速。

研究表明[8]，当土质相同时，试验室条件下的起动摩阻流速与自然条件下的起动摩阻流速是一致的。这样，试验中起动摩阻流速U*c与天然起动流速Uc之间的换算关系为[1]

(6)

表2给出了利用式(4)—式(6)分别求得的YZK03-3，YZK11-3，YZK11-4这3个黏性原状土样在不同水柱高度下的起动流速实测值与公式计算值。

从表2中可以看出，天然起动流速随着水深增加而迅速增大，而由公式计算得到的起动流速增幅远小于天然起动流速：对YZK03-3而言，水柱高度为435 cm的Ucd和Ucz分别是35 cm水柱高度下相应公式计算值的1.34倍和1.71倍；对YZK11-3而言，这一组数据是1.35倍和1.69倍；对YZK11-4而言，这一组数据则是1.36倍和1.68倍。由此还可看出，YZK11-3的流速计算值的增幅和YZK11-4的基本相同，但是YZK11-3的干密度为1.27 g/cm3， YZK11-4的干密度为1.47 g/cm3，式(4)和式(5)计算值并没有体现出密实度的影响，而这一点在试验值中有所体现。出现这些差异的主要原因是式(4)和式(5)都是对结构均匀的新淤黏性土而言，而原状土的结构和组成都很复杂，两者的密实度存在差异。

4 结 论

通过对3个不同性质的黏性原状土样进行起动试验，并结合理论分析研究了水压力对黏性原状土起动流速的影响，可以得出以下结论：

(1) 水压力对黏性原状土的起动流速有影响，水柱高度为435 cm时的黏性原状土的起动摩阻流速是35 cm水柱高度下的流速的2.52～3.06倍。

(2) 在相同水压力情况下对不同粒径级配、密实度的原状土样而言，水压力对其起动流速的影响不尽相同。

(3) 由于原状土结构和组成都很复杂，建立适用于原状土且精度良好的起动流速计算公式还需要大量开展原状土起动试验，获取足够多的试验数据。

[1] 窦国仁.论泥沙起动流速[J]. 水利学报，1960，(4):46-62.

[2]张瑞瑾. 河流动力学[M].北京：中国工业出版社，1960.

[3] 韩其为，何明民. 泥沙起动规律及起动流速[M]. 北京：科学出版社，1999：38-41.

[4] 钱 宁，万兆惠. 泥沙运动力学[M]. 北京：科学出版社，2003.

[5] 洪大林. 粘性原状土冲刷特性研究[D]. 南京：河海大学，2005.

[6] 洪大林，缪国斌，申 霞，等. 黏性原状土起动流速试验研究[J]. 人民长江，2012，43(2)：39-42.

[7] 窦国仁. 再论泥沙起动流速[J]. 泥沙研究, 1999,(6):1-9.

[8] 张书农. 河流动力学[M]. 北京：水利电力出版社，1988.

(编辑：占学军)

Influence of Water Pressure on Incipient Velocityof Cohesive Undisturbed Soil

FAN Li-yang1, CHEN Guo-ping1, MA Hong-jiao1, LI Qing-yin2

(1.College of Harbor, Costal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Shandong Hydrology and Water Resources Bureau, Yellow River Conservancy Commission,Jinan 250100, China)

In order to study the influence of water pressure on incipient velocity of undisturbed clay, we carried out test on the incipient velocity by using a closed rectangular pipe which could provide different water pressures. Results show that incipient frictional velocity of undisturbed clay in the presence of 4.35 m water column height is 2.52-3.06 times that under 0.35 m height. In other words, incipient velocity of undisturbed clay increases with the increasing of water pressure. Besides, water column height, grain gradation and compactness of undisturbed clay are also main factors affecting the incipient frictional velocity.The experimental results can provide reference for further studies on incipient velocity of cohesive undisturbed soil.

water pressure; undisturbed clay; incipient velocity; gradation of grain；dry density

2016-02-17；

2016-04-08

范力阳(1991-)，男，湖南常德人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力与泥沙运动研究，(电话)13776628420(电子信箱)fly_hhu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160124

2017,34(4):5-8

TV14

A

1001-5485(2017)04-0005-04